纤维素酶类糖苷水解酶及其降解机理

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1、纤维素酶类糖苷水解酶及其降解机理第四章14.1导言纤维素类生物质是自然界中最丰富的。与淀粉在结构上的差别仅在于糖苷键连接方式不同。多与半纤维素、木素相互结合在一起。纤维素酶系统非复合：真菌、放线菌一般由菌丝分泌到胞外分别发挥作用。复合：厌氧菌（热纤梭菌）在其细胞壁上产生隆起的细胞结构，为纤维小体。2自从1906年在蜗牛消化液中首次发现纤维素酶后，人类对其研究经历了百年历史：1950--木酶的发现，C1-Cx假说。1980年至1988年--利用基因工程的方法对纤维素酶的基因进行克隆和一级结构的测定。90年代--厌氧细菌纤维小体超分子复合体结构功能研究，多结构与体系的发现。21世纪-

2、-基因及氨基酸序列，分子时代。导言34.2纤维素酶系统的组成根据各酶的功能可分为三大类：(1)内切葡聚糖酶（endo-1,4-β-Dglucanase,EC.3.2.1.4,来自真菌的简称EG，来自细菌的简称Cen）,这类酶作用于纤维素分子内部的非结晶区，随机水解β-1，4-糖苷键,将长链纤维分子截断,产生大量非还原性末端的小分子纤维素。(2)外切葡聚糖酶(exo-1，4-β-D-glucanase，EC.3.2.1.91，又称纤维二糖水解酶，来自真菌简称CBH，来自细菌简称Cex。）这类酶作用于纤维素分子的非还原端,依次水解β-1,4-糖苷键,每次切下一个纤维二糖分子。4(3)

3、β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,EC.3.2.1.21,简称BG）,这类酶水解纤维二糖和短链的纤维寡糖生成葡萄糖。对纤维二糖和纤维三糖的水解很快，随着葡萄糖聚合度的增加水解速度下降。4.2纤维素酶系统的组成54.3糖苷水解酶家族以底物专一性为基础建立的命名方法不能反映酶分子的结构特性。把作用于碳水化合物的相关酶类分成许多蛋白质家族，形成专门的数据库共享。http://www.cazy.org碳水化合物活性酶(CAZy)分类系统，只对结构域进行定义。CAZy中某一基因的结构域以模块表示。678图4.294.4厌氧细菌纤维素酶的结构与功能厌氧细菌在纤维素底物上生长时，在细

4、胞壁上产生隆起的细胞结构即为纤维小体。不同生物体之间纤维小体结构相似，但其组成成分随着种的不同而有所差异。纤维小体结构复杂、体积庞大、异质性强。104.4.1纤维小体的一般组装模式结构蛋白：初级脚手架蛋白，锚定脚手架蛋白等催化模块：纤维素酶、半纤维素酶等114.4.1纤维小体的一般组装模式对接模块粘连模块①②③④124.4.1纤维小体的一般组装模式134.4.2粘连模块与对接模块4.4.2.1粘连模块不同厌氧微生物的粘连模块序列差异很大。同一个脚手架蛋白上的粘连模块一般为同一类型，不同粘连模块之间有不同的序列相似性。目前型和型粘连模块晶体结构已测定。厌氧细菌纤维素酶的结构与功能1

5、4154.4.2.2对接模块由大约具22个氨基酸的两条重复序列组成钙离子促使对接模块折叠，并使其形成稳定的三级结构。也是粘连模块-对接模块相互作用所必需的。对接模块与其相应的粘连模块的分支情况相对应。厌氧细菌纤维素酶的结构与功能16174.4.2.3粘连模块和对接模块相互作用决定了纤维小体的结构，并纤维小体各亚基的整合仅依赖于此。主要以疏水作用相联系，并辅以相对较少的分子间氢键。热纤梭菌中Ⅰ型粘连模块与对接模块的相互作用是目前已知最强的蛋白质间相互作用之一。厌氧细菌纤维素酶的结构与功能18粘连模块与酶上对接模块在种内的结合是非专一性的，而在种间的相互作用却是专一性的。生化水平上，

6、包含对接模块的酶与包含粘连模块的脚手架间的结合本质上是非特异性的。对接过程中粘连模块总体结构本质上不变，对接模块发生了构象变化。4.4.2.3粘连模块和对接模块相互作用19图4.4热纤梭菌Ⅰ型粘连模块红色和Ⅰ型对接模块蓝色相互作用示意图204.4.3纤维小体上的催化模块以热纤梭菌为例，它既有纤维小体酶系，也有游离的非纤维小体酶。区别纤维小体酶与游离酶的关键特征是，纤维小体酶带有对接模块。催化模式具有多种情况：热纤梭菌中，表现为葡聚糖内切酶活性、持续降解的纤维素内切酶活性、纤维素外切酶。厌氧细菌纤维素酶的结构与功能214.4.3.1典型的纤维小体外切酶（或持续性内切酶）的空间结构厌

7、氧细菌纤维素酶的结构与功能22厌氧细菌纤维素酶的结构与功能4.4.3.2典型的纤维小体内切酶的空间结构Figure4.4.3Structuralcomparisonof(α/α)6glycosylhydrolases23根据序列和结构的相似度，CBM可被分成不同的家族。不同纤维小体家族中按功能分主要属于A型和B型。4.4.4.1脚手架上的CBM厌氧细菌纤维素酶的结构与功能4.4.4碳水化合物结合模块CBM（carbohydrate-bindingmodule)图4.4热纤梭菌脚手